5G призван «революционизировать» возможности подключения, обеспечивая программируемое интеллектуальное соединение между пользователями и облачными службами, а также плавное, повсеместное и персонализированное взаимодействие в различных средах и устройствах. С единой сетью для всех случаев использования, необходимых для «взрыва больших данных», от домашней до корпоративной среды, 5G обещает подключить десятки миллиардов устройств, которые всегда должны быть подключены к сети, каждое к своему собственному участку сети, динамически создаваемым для обеспечения выделенного профиля, приоритета, безопасности, скорости и задержки.
Для реализации конвергенции облачных и телекоммуникационных услуг развертывание 5G требует значительных изменений инфраструктуры в существующей сети, как для доступа к New Radio (NR) и транзитного соединения, так и для ядра, чтобы соединить беспроводные и проводные сети. Изменения включают в себя более интеллектуальные радиочастотные (РЧ) устройства для увеличения охвата и пропускной способности сети; больше информации по требованию в сети; и локализация функций в облаке или на границе, в соответствии с требуемым уровнем сетевого обслуживания.
Новый сетевой сценарий (рисунок ниже) включает в себя значительные изменения в части сети доступа NR для обеспечения более высокой пропускной способности и покрытия, а также требует, чтобы базовые сети следовали требованиям полосы пропускания в коммутационных и оптических элементах. Существует также внедрение новых систем, таких как мобильные периферийные вычисления.
Работа с плотностью
Вся индустрия сегмента вносит новое оборудование, которое позволит внедрить 5G. Возможность для достижения скорости сети 5G до 10 Гбит / с в полосе пропускания — достигается за счет увеличения радиосигналов до сантиметровых и миллиметровых волн во второй фазе развертывания 5G, а также формирования луча с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) и применение новых, многополосных активных антенных систем (AAS) для повышения эффективности использования спектра — создают чрезвычайно сложную аппаратную среду с точки зрения плотности размещения аппаратуры. Подобные проблемы уже существуют с макро-базовыми радиостанциями, работающими на более высоких частотах, а также со структурами с несколькими усилителями мощности (PA) и малыми ячейками MIMO.
На стороне сигнальной цепи плотность обеспечивается за счет использования высокоскоростных, многополосных, многоканальных приемопередатчиков, до четырех приемников / передатчиков (Rx / Tx) и полосы пропускания 1 ГГц, которые используют радиочастотную выборку RF и технику нулевой промежуточной частоты. Новые интегрированные компоненты сигнальной цепи требуют повышенного энергопотребления, что является очевидным требованием для увеличения числа усилителей мощности (РА). Мощность на PA уменьшается, а общая нагрузка на систему увеличивается, что требует изменения архитектуры системы для обеспечения этой производительности. Между тем, необходимо удовлетворять требованиям по уровню электромагнитных помех каждой конкретной реализации радиосвязи.
Коэффициент конвертации
Чрезвычайно ограниченное пространство требует увеличенной частоты переключения преобразователя, чтобы по-прежнему работать без потерь эффективности, несмотря на сложную тепловую среду: он полностью герметизирован, нет принудительной вентиляции и чрезвычайно высокая (хотя и контролируемая) температура печатной платы (PCB) до 100 ° С.
Новые технологии контроллеров позволяют конвертерам соответствовать требованиям этой прикладной среды. Усовершенствованный токовый режим с адаптивным приводом затвора обеспечивает плавный переход контроллера даже на высоких частотах переключения, предлагая более низкий уровень шума и повышая надежность при одновременном снижении минимального времени включения. Корпус также имеет решающее значение для обеспечения повышенной частоты переключения и рассеивания связанных потерь. Потери на проводимость, уменьшенные исключительно эффективными ступенями мощности, компенсируют этот дополнительный коэффициент для общего потребления энергии. Разработчики должны компенсировать максимальную частоту переключения с максимальной температурой перехода по соображениям эксплуатации и надежности.
Рассеяние вступает в игру, особенно когда радиатор доступен ближе к радиочастотному блоку или секции системы на кристалле (SoC). Преобразователи могут использовать этот радиатор для извлечения тепла сверху. Можно уменьшить температуру «соединения», если корпус обеспечивает тепловое сопротивление сверху, сравнимо, даже если оно выше основания, где большая часть тепла уже направлена на печатную плату. Там он термически соединен с механической герметизацией и управляется термически, модулируя значение входной мощности.
С увеличением плотности приемопередатчика в 4 раза при реализации всей функции аналогового интерфейса (AFE) — с четырьмя цифро-аналоговыми преобразователями / четырьмя аналого-цифровыми преобразователями, генератором, фильтрацией и микшированием на одном кристалле появляется небольшая проблема — мощность. Необходимо придерживаться аналогичной шкалы интеграции. Однако, учитывая коэффициент умножения, введенный AAS MIMO, при переходе от конфигурации 4x Tx / Rx к конфигурации 64x или 128x Tx / Rx масштабный коэффициент не может быть линейным.
Может быть возможно интегрировать одно решение системы питания для более чем четырех аналоговых интерфейсов. Преобразователи должны поставлять кластеры многоканальных приемопередатчиков, соблюдая целостность сигнальной цепи в этих чувствительных точках радиочастотного тракта. Блок-схема Texas Instruments AAS (рисунок ниже) показывает основные элементы, которые составляют этот элемент NR.
Разработка эффективной подсистемы питания
Рассматривая подсистемы питания, из-за увеличения мощности (тока) — в некоторых случаях более 1 кВт — напряжение промежуточной шины 12 В является обычным явлением. Другие архитектурные элементы, которые в настоящее время становятся основными, включают многоканальные преобразователи и регуляторы с минимальным падением напряжения (LDO), а также преобразователи с низким уровнем шума, которые могут помочь повысить общую эффективность системы. Это снижает потребность в малошумных LDO с высоким коэффициентом подавления питания, которые иногда используются на самых критических шинах, от петли фазовой синхронизации до сериализатора/десериализатора. Частота переключения в точке нагрузки должна быть выше 1 МГц, чтобы обеспечить уменьшение размера пассивных компонентов.
Комбинирование DIN-реек с оборудованием, где это возможно, исключает риск перекрестных помех и помех аналогового интерфейса (AFE), при этом соблюдая жесткие допуски напряжения и требования к последовательности для различных типов оборудования. LDO могут обеспечить простейшую последовательность (PG / EN), а это иногда может быть причиной для добавления некоторых материалов в спецификацию (BOM). Если этого требует встроенный приемопередатчик, отрицательные направляющие требуют особого усилия в преобразователе. Большая пульсация на выходе делает простую buck-boost топологию неразумным выбором.
Размещение нескольких интегрированных приемопередатчиков на плате на разумном расстоянии (drop) и достижимой помехоустойчивости упрощает схему, уменьшая количество преобразователей, в основном LDO, которые используются для локального разделения и подачи различных аналоговых интерфейсов. На рисунке ниже представлена потенциальная спецификация преобразователей и LDO, которые могут соответствовать приложению, с подробным списком критических параметров.
Силовое решение
На рисунке ниже показана блок-схема силового решения с четырьмя встроенными приемопередатчиками, в котором реализованы многие из соображений, описанных выше. Ферритовые шарики не показаны на рисунке, но они необходимы (со связанными конденсаторами) для разделения перекрестных помех кластерных входов трансивера внутри одного элемента и по отношению к другим, сгруппированным с тем же энергетическим решением — по крайней мере на чувствительных к шумам рейках. Некоторые приемопередатчики следующего поколения имеют более низкий уровень энергопотребления, что потенциально может обеспечить кластеризацию до восьми интегрированных приемопередатчиков, если позволяют механические ограничения компоновки платы.
Чтобы оценить качество решения по электропитанию, рассмотрите приведенные ниже спецификации для производительности Rx и Tx:
- Rx: отношение сигнал / шум, динамический диапазон без паразитных помех и интермодуляционные искажения третьего порядка.
- Tx: фазовый шум и пересечение третьего порядка.
Вы должны измерить эти параметры в аналоговом интерфейсе с помощью предложенного вами решения по электропитанию, чтобы исследовать любое влияние на производительность, решить любые проблемы путем фильтрации, с помощью ферритовых шариков или изменить спецификацию мощности, если проблема более значительна.
Прерывания
Как и в случае с радиочастотными приемопередатчиками, проблемы с питанием приводят к новым требованиям по синхронизации. Новый общедоступный интерфейс на основе Ethernet (eCPRI) создает необходимость прерывания и синхронизации частоты в многоточечных соединениях между модулем основной полосы частот (BBU) и удаленным радиоблоком (RRU) и усложняет требования к задержке в дереве тактовых импульсов при реализации формирования луча. Решения по энергопотреблению сопутствующей системы должны минимизировать спецификацию и стоимость, а также увеличивать плотность при одновременной максимизации характеристик с низким уровнем шума и эффективностью при более высоких частотах переключения.
Можно скомбинировать одно и то же решение для радиочастотных приемопередатчиков и тактирования, следуя критериям, описанным ранее, для создания эффективного решения по мощности для конкретной 5G радиостанции или модуля основной полосы частот. Интерфейсы шины управления питанием (PMBus) и идентификации последовательного напряжения имеют фундаментальное значение в BBU, даже больше, чем в RRU. Они должны быть доступны в контроллерах и преобразователях для многофазных и однолинейных решений, чтобы обеспечить питание новейшим процессорам на основе SoC, достичь быстрой производительности переходного процесса и точно контролировать параметры для оптимизации производительности и надежности системы.
Для облачной обработки модуля основной полосы частот (BBU), когда централизованный BBU подключается ко многим удаленным радиоблокам (RRU), требуется больше функциональных возможностей внутри RRU, что приводит к увеличению мощности. Более высокая мощность требует адаптивного масштабирования выходного напряжения через шину управления питанием.
Еще одна горячая область для интеграции питания — это часть смещения усилителей мощности (PA), для которых требуются рабочие преобразователи на 65 В с переменным пределом тока от 5 до 6 A. Тепловые факторы ограничивают частоту переключения. В качестве компромисса в уменьшении размеров тепловые характеристики пакета являются ключом к обеспечению надежного температурного обмена, даже в экстремальных условиях радиосвязи 5G. Когда мощность превышает лимит для однопакетных решений, решения, основанные на контроллере и внешних полевых транзисторах, также являются жизнеспособными, особенно при объединении нескольких источников питания усилителей мощности в решение с одним источником питания.
Выводы
Интеллектуальное подключение, обеспечиваемое сетью 5G, затронет несколько отраслей и позволит использовать новые услуги. Благодаря инновациям 5G, это лишь некоторые из тех значительных технологических достижений, которые мы скоро получим:
- Непрерывный мониторинг работоспособности с полностью безопасными и надежными соединениями в реальном времени.
- Надежное дистанционное управление приложениями с малой задержкой, реализованное с проприоцепцией и тактильным интернетом.
- Повышение эффективности производственных линий благодаря сбору данных с датчиков и интерактивным роботам.
- Голографическая проекция дистанционных тренингов и мероприятий.
Интеллектуальные требования к питанию для технологий 5G требуют специальных компонентов для достижения максимальной плотности и эффективности, а также для выживания в экстремальных температурных условиях окружающей среды. Важно решить технические проблемы с компонентами питания следующего поколения, обеспечивающими эффективность на высоких частотах для максимальной плотности, с помощью инновационных топологий управления и методов упаковки.
